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ES2370730B1 - Receptor solar de serpentín para disco stirling y el método de fabricación. - Google Patents

Receptor solar de serpentín para disco stirling y el método de fabricación. Download PDF

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ES2370730B1
ES2370730B1 ES201000729A ES201000729A ES2370730B1 ES 2370730 B1 ES2370730 B1 ES 2370730B1 ES 201000729 A ES201000729 A ES 201000729A ES 201000729 A ES201000729 A ES 201000729A ES 2370730 B1 ES2370730 B1 ES 2370730B1
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Francisco Moreno Gómez
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Abstract

Receptor solar de serpentín para disco Stirling cuyos componentes principales son tubos (donde incide la luz solar), colectores, depósitos y cúpulas (hay de dos tipos, la encargada de alojar en su interior el regenerador y la cúpula de expansión que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor temperatura) que comprende una serie de tubos (1) que salen perpendicularmente de un colector (2) y llegan perpendicularmente al otro (2) y donde cada tubo consta de dos partes curvas (10) en forma de semicircunferencias y tres partes rectas (11) paralelas entre sí: una parte recta central (entre curvatura y curvatura) y dos partes rectas en los extremos (entre curvatura y salida de un colector (2)), encontrándose las dos partes rectas de los extremos en un mismo plano, mientras que la parte recta del centro se encuentra en otro plano distinto.

Description

Receptor solar de serpentín para disco Stirling y el método de fabricación.
Sector técnico de la invención
La invención se encuadra dentro la tecnología de los colectores solares y más concretamente se centra en el diseño de receptores solares para disco Stirling.
Antecedentes de la invención
Los sistemas disco Stirling son unidades de generación de electricidad que usan la radiación solar como fuente de energía. La capacidad de una sola unidad está entre3y50kWe.
Los sistemas disco Stirling transforman con alta eficiencia la radiación solar concentrada en energía eléctrica. Los componentes esenciales del sistema son:
•
Concentrador solar parabólico.
•
Sistema de seguimiento.
•
Motor Stirling con generador eléctrico.
•
Intercambiador de calor solar (receptor solar).
El modo de funcionamiento de un sistema de disco Stirling es el siguiente: el concentrador refleja la radiación solar hacia el receptor que está situado en el punto focal del concentrador. La radiación solar se absorbe en el receptor y este calienta el gas (helio o hidrógeno) del motor Stirling a temperaturas que rondan los 650ºC. Este calor se convierte en energía mecánica en el motor Stirling. Un generador eléctrico convierte esta energía mecánica en electricidad. Para conseguir que la radiación reflejada incida en el punto focal durante todo el día, un sistema de seguimiento solar mueve el concentrador continuamente para seguir la trayectoria del sol.
La tecnología de los receptores solares se desarrolla en función del tipo de proceso en el que se vaya a utilizar, es decir, el tipo de planta y el ciclo utilizado. La invención que se presenta se refiere a la planta de recepción solar con disco y el ciclo es el de Stirling. Por supuesto, es interesante conocer los antecedentes y desarrollos previos utilizados en aplicaciones solares. Las tecnologías utilizadas para plantas solares de receptores de torre suponen un referente de aplicación.
En particular, para el disco parabólico Stirling se utilizan dos tipologías de sistemas receptores:
•
Sistemas receptores externos.
•
Sistemas receptores de cavidad.
Los receptores externos tienen superficies de absorción en vista directa con los concentradores y dependen de la absorción directa de la radiación. Los receptores de cavidad tienen, en cambio, una apertura a través de la cual pasa la radiación concentrada hasta alcanzar la superficie del receptor. La cavidad asegura que la mayor parte de la radiación que entra sea absorbida por la superficie interna del receptor.
Los receptores más usados para los sistemas disco Stirling son los receptores de cavidad.
El receptor se sitúa detrás de la apertura para reducir la cantidad de calor perdido y para disminuir la intensidad del flujo concentrado en su superficie. La radiación concentrada que entra a través de la apertura del receptor se difunde dentro de la cavidad. La mayor parte de la energía es absorbida directamente por el receptor, y prácticamente la totalidad de la restante es reflejada o re-irradiada dentro de la cavidad para ser posteriormente absorbida.
En un receptor de cavidad, se han identificado dos métodos para transferir la radiación solar absorbida al fluido de trabajo del motor Stirling.
El primer método consiste en utilizar un receptor de tubos directamente iluminados, donde pequeños tubos a través de los cuales circula el fluido de trabajo del motor son situados directamente en la región donde incide el flujo solar concentrado. Los tubos forman la superficie del receptor. De este modo el gas de trabajo se calienta a su paso por el interior de los tubos calentados por la radiación solar.
El segundo método, el de reflujo, usa un metal líquido como fluido intermedio de transferencia de calor. El metal líquido se vaporiza en la superficie posterior del receptor y se condensa en los tubos por los que circula el fluido de trabajo del motor. Es decir, absorbe el calor del material que forma el receptor (que está caliente por la exposición a la radiación solar) y después lo cede a los tubos por los que circula el gas de trabajo del motor. Este segundo tipo de receptor se llama de reflujo porque el vapor se condensa y vuelve para ser evaporado de nuevo.
Un factor importante del diseño del receptor es la exposición a condiciones severas de funcionamiento unido a condiciones cíclicas. La alta temperatura es el factor más importante el cual, unido al funcionamiento en ciclos, da lugar a la fatiga térmica de los componentes. La fatiga térmica está causada por los ciclos de temperatura, desde la temperatura ambiente a la de operación, tanto en los arranques y paradas como durante los momentos de nubosidad. Este tipo de ciclo puede causar fallos prematuros del receptor. Dentro del sistema receptor-cavidad, es especialmente sensible el componente receptor. El diseño de receptor de tubos, que incorpora paredes finas y opera a temperaturas uniformes durante los transitorios, suele tener menos problemas con la fatiga térmica. La fluencia a largo plazo de los materiales del receptor y la oxidación son consideraciones importantes para elegir los materiales. Se suelen utilizar superaleaciones de níquel y cromo (Inconel ®), aceros inoxidables, aleaciones de níquel y titanio, níquel y cobalto, etcétera.
Existen en el estado de la técnica numerosos documentos que desarrollan distintos receptores o aspectos de los mismos. A continuación se destacan algunos de ellos:
-
DE4433203 1996 HTC Solar Solar heater head for generation of electric current from solar energy (Intercambiador de calor solar para generación de corriente eléctrica). Absorbedor con material altamente conductivo y ennegrecido (oxidado) para homogeneizar la concentración de calor. Material preferiblemente de cobre, que es soldado a los tubos del intercambiador con acero inoxidable de altas prestaciones (como una camisa del tubo).
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US2002059798 2002 Midwest Research Institute Dish/stirlíng hybrid-receiver (Receptor híbrido para disco Stirling). Sistema híbrido de receptor con “heat pipe” de sodio. Estructura del elemento de polvo de níquel. Describe integración con sistema de quemador (híbrido).
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US6735946 2004 Boeing Direct illumination free pistón stirling engine solar cavity (Cavidad de motor Stirling con pistón directamente iluminado). Pistón directamente iluminado. Sin intercambiador de tubos. Disposición de pequeños pistones de forma concéntrica al haz solar. El receptor es un elemento metálico de material altamente conductor, como cobre, níquel o grafito. Alternativa al diseño es utilizar “heat pipes”.
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US6739136 2003 Boulder, CO Arvada, CO Combustión system for hybrid solar fossil fuel receiver. Sistema de combustión para un receptor solar híbrido que comprende un premezclador que combina aire y combustible para formar la mezcla a quemar. Hay un intercambiador de calor asociado y en contacto con la cámara de combustión. Este intercambiador de calor proporciona el calor para el receptor híbrido cuando no se puede utilizar el calor del sol como fuente de energía.
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US6818818 2004 Plano, TX Concentrating solar energy receiver. Describe un sistema compuesto por un concentrador parabólico de alta reflectividad para reflejar los rayos del sol en su lado cóncavo y un módulo de conversión al cual llega la radiación solar concentrada. En este módulo de conversión hay dos receptores distintos; un receptor fotovoltaico y una superficie de recepción acoplada a un motor térmico para producir electricidad.
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EP0996821 2000 STM Corporation Heat engine heater assembly. Se describe un equipo diseñado para utilizar tanto la radiación solar como el calor producido por la combustión de gas natural, como fuente de energía para un motor térmico. Una carcasa que forma el receptor permite la entrada de radiación solar hasta llegar al absorbedor. Series de tubos exteriores e interiores a la cámara del receptor absorben la radiación solar y transmiten calor al fluido que circula por su interior. Un quemador dentro de la cámara produce gases de combustión que también calientan estos tubos.
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US4665700 1987 STM United Stirling AB Hot gas engine heater head. El objetivo del invento es proporcionar una cabeza calentadora en la cual los regeneradores estén conectados a los cilindros por tubos que rodean a esos mismos cilindros.
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US4602614 1986 United Stirling, Inc. Hybrid solar/combustion powered receiver. Es un receptor mejorado que incluye un intercambiador de calor dentro de la cavidad con los tubos espaciados tangencialmente. Hay múltiples quemadores para proporcionar un camino de los gases de combustión y una ventana para sellar la apertura y no existan fugas de gas fuera del receptor.
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US6668555 2003 Boeing Company Solar receiver-based power generation system. Este invento proporciona un diseño de receptor solar mejorado que reduce el coste de dichos mecanismos. El receptor solar incluye un heat pipe que tiene un fluido en su interior. El heat pipe tiene dos porciones de condensador dispuestas en dos extremos. Además se incluye un evaporador entre ambos extremos. Un colector de aire se acopla a uno de los extremos. Este colector tiene una entrada y una salida de aire. Un colector de líquido se acopla al otro extremo, con su respectiva entrada y salida.
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US4911144 1990 Stirling Thermal Motor, Inc Spherical solar energy collector. Invento relativo a un colector de energía solar y en particular a uno que comprende un evaporador de un sistema de transferencia de calor de tipo heat pipe.
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US4475538 1984 United Stirling AB Window for solar receiver for a solar-powered hot gas engine. Receptor solar que incluye una ventana para la entrada de la radiación solar como una mejora.
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CA2490207A1 2004 Shecs Labs-Solar Hydrogen Solar energy collector. El invento es un receptor con una cavidad interna que refleja la radiación. El receptor está contenido en una atmósfera reductora o inerte para mantener las propiedades de las superficies reflexivas de la cavidad. La absorción de calor se produce en unos tubos dispuestos simétricamente respecto al eje principal del receptor. Además hay una ventana de cuarzo en la entrada del dispositivo para disminuir las pérdidas por convección.
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DE19527272: Solarer Erhitzer für Stirling-Motoren. Calentador solar (1) para motor Stirling con un campo de absorción (2) de tubos paralelos (8), que se conectan a sendos colectores (4, 5) a través de los cuales circula el gas de trabajo. Siendo los tubos (8) idénticos entre ellos y de geometría en forma de lazo.
A la vista del estado de la técnica existente, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un receptor solar que, superando las deficiencias encontradas en los anteriores diseños:
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aumente la resistencia a fatiga térmica,
-
minimice las sombras entre tubos,
-
que sea de tubos directamente iluminados, para simplificar el sistema evitando la inclusión de un fluido caloportador intermedio y de un intercambiador de calor adicional así como para flexibilizar el diseño óptico del concentrador y que el motor pueda funcionar en otras posiciones que no sea de espaldas al sol,
-
no deje huecos entre los tubos al deformarse por dilataciones, escapándose la radiación solar concentrada por dichos huecos,
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fácilmente soldable,
-
que reduzca las pérdidas de carga.
El nuevo diseño permite pues aumentar la eficiencia del disco y reducir los costes de fabricación y de operación y mantenimiento. Además ofrece la posibilidad de:
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refrigerar fácilmente ante sobretemperaturas (ventilador),
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independizar el receptor de la cavidad y de la carcasa del aislante que lo pueda cubrir, para hacerlo más versátil y facilitar el mantenimiento,
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tener la posibilidad de integrar un quemador para hibridación, es decir, añadir un quemador de gas al motor Stirling para lograr una planta híbrida donde el quemador debe generar una llama que caliente por radiación y convección los tubos del receptor; teniendo en cuenta el diseño del receptor de serpentín, la llama quedaría alojada en el hueco que definen los tubos y la transmisión de calor queda optimizada,
-
simplificar los procesos de fabricación y facilitar la construcción.
Descripción de la invención
La invención consiste en un nuevo receptor para disco stirling que cumpla con los requisitos anteriormente definidos.
Los receptores diseñados comprenden los siguientes componentes: tubos, colectores, depósitos y cúpulas.
-
Tubos: Los tubos forman la superficie donde incide el haz de luz solar concentrada. Se disponen muy próximos unos a otros para que la superficie presente pocos huecos y se pueda aprovechar al máximo la radiación incidente.
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Colectores: Los colectores son las zonas donde se sueldan los tubos, de forma que el flujo que discurre por los tubos se comunica con los depósitos.
-
Depósitos: Los depósitos son las zonas interiores de los colectores, desde aquí se distribuye el gas de trabajo a cada uno de los tubos.
-
Cúpulas: Existen dos cúpulas: la encargada de alojar en su interior el regenerador (o intercambiador de calor capaz de absorber calor del gas de trabajo, almacenarlo y transferirlo al mismo para cerrar el ciclo siendo, de los intercarmbiadores que contiene el motor, el que mayor volumen de energía térmica maneja) y la cúpula de expansión (o del domo), que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor temperatura.
El diseño de receptor reivindicado en esta invención, denominado receptor de serpentín, está compuesto por una serie de tubos que salen perpendicularmente de un colector y llegan perpendicularmente al otro.
Las superficies donde van soldados los tubos a los colectores son paralelas entre sí y perpendiculares a la entrada de los tubos.
Cada tubo presenta dos curvas de 180º en su recorrido de forma que cada tubo recorre casi tres veces la distancia entre los dos colectores.
Concretamente, cada tubo sale del colector de origen perpendicular y en línea recta hacia el colector de destino y antes de llegar al colector de destino gira 180º bajando ligeramente en altura y vuelve en línea recta, por un plano horizontal paralelo e inferior al de la ida, hacia el colector de origen y antes de llegar al colector de origen vuelve a girar 180º, bajando un poco más en altura, dirigiéndose en línea recta de nuevo por un plano horizontal paralelo e inferior hacia el colector de destino, donde entra perpendicular y se conecta por soldadura. De esta forma, el punto de soldadura del tubo al colector de origen se encuentra más elevado en altura que el punto de soldadura del tubo al colector de destino.
Por tanto, cada tubo consta de dos semicircunferencias (las curvas de 180º) y tres partes rectas que son: la parte central, entre curvatura y curvatura, y las dos rectas de los extremos del tubo, que son las que se conectan a los colectores. Las tres partes rectas son paralelas entre sí según planos horizontales, pues se encuentran a distinta altura todas ellas, mientras que las rectas de los extremos se encuentran en el mismo plano vertical, paralelo al plano vertical que contiene a la recta del centro.
Visto desde la cara de incidencia de la radiación solar, cada tubo esta dispuesto de tal forma que las partes rectas del tubo forman una superficie sin huecos entre tubos y sin sombreamiento de unas partes sobre otras.
Hay dos filas verticales de agujeros en cada colector para el soldado de todos los tubos.
En una hilera se sueldan todos los tubos que tienen ese colector como origen y en la hilera paralela se sueldan todos los tubos que tienen ese colector como destino, pues se va intercalando. Esta disposición evita que los tubos de una y otra hilera lleguen a entrar en contacto.
Este diseño del receptor en forma de serpentín permite que al tener el tubo desarrollado en dos planos distintos, las dilataciones (consecuencia de las altas temperaturas) están muy poco restringidas, lo que inicialmente disminuirá la aparición de tensiones en el tubo. Por lo tanto, a priori, este diseño presentará pocos problemas de roturas debidas a tensiones excesivas en el material.
La disposición en distintos planos de los tubos permitirá además una mejor refrigeración del receptor por medio de un ventilador cuando la temperatura del material sea excesivamente alta. Al existir mayor hueco entre tubo y tubo la transferencia de calor por convección entre el aire del ventilador y la superficie exterior de los tubos sea más efectiva. El hecho de que no exista ninguna zona de los tubos que esté sombreada por otros tubos permite que la distribución de temperaturas a lo largo de los tubos sea más uniforme.
La superficie vista por el haz de radiación solar concentrada es totalmente compacta, es decir, no hay huecos entre los tubos si se mira desde la dirección predominante en la que incide la radiación.
Un inconveniente que se puede encontrar a este diseño es que al aumentar la longitud de los tubos y disminuir el área de paso global (suma de las áreas de paso de todos los tubos) la pérdida de carga asociada aumenta. Esto podría derivar en una pérdida de potencia del motor no cuantificada. Pero la pérdida de potencia comentada anteriormente se ve compensada por el aumento de la temperatura del gas. Al tener unos tubos de longitud mayor, la temperatura que alcanza el gas tras pasar por el receptor es mayor, para la misma temperatura superficial.
Otra ventaja más es que la fabricación de los tubos no entraña complicaciones técnicas. El procedimiento más sencillo sería cortar un tubo recto a la longitud adecuada y después realizar las curvaturas y ángulos correspondientes para darle la forma final deseada.
Tampoco la soldadura de los tubos a los colectores plantea problemas ya que la distancia entre los agujeros de los colectores es suficiente para maniobrar en los procesos de soldadura sin inconvenientes.
Por todo ello y a la vista de las simulaciones realizadas, se puede concluir que el comportamiento general de este modelo de receptor es mucho mejor que el de los conocidos del estado de la técnica, pues distribuye de modo eficiente las tensiones y deformaciones provocadas por la temperatura teniendo los tubos una flexibilidad mayor que lo conocido hasta el momento.
Otro aspecto que cabe destacar es que la contribución de la presión del gas a las tensiones que debe de soportar el receptor es despreciable respecto a las tensiones causadas por las altas temperaturas. Se puede decir que los modelos diseñados se comportan mejor que los antiguos frente a las cargas térmicas. Sin embargo, existen puntos críticos a la fatiga en la zona de conexión de los tubos al colector debido a que se encuentra una zona flexible (el tubo) con una zona mucho más rígida (el colector). Esto presenta un problema, ya que cuando el tubo se dilata está restringido por la rigidez del colector y se crea un punto donde puede aparecer la fractura debido a la fatiga.
Para solucionar este problema localizado hay varias soluciones:
-
Reducir el espesor de la zona de conexión de los tubos para aumentar la flexibilidad del colector en esa zona.
-
Colocar un casquillo en el punto crítico que sirva como transición entre las dos zonas de rigideces distintas.
A la vista de los resultados obtenidos para cada una de las tres soluciones adoptadas para mejorar la vida a fatiga se concluye que la mejor solución a priori es la de la colocación del casquillo ya que el número de ciclos que resiste se multiplica por cinco con respecto al caso sin casquillo.
En cuanto al proceso de fabricación del receptor, comprende las siguientes etapas:
-
Recepción de tubos.
-
Doblado de tubos.
-
Ensamblaje de tubos a colector con soldadura por horno.
-
Soldadura TIG/plasma/láser para soldar los depósitos (realizados como unión de chapas) a los colectores.
-
Soldadura TIG/plasma/láser para soldar las cúpulas (realizadas a partir de un bloque de material) a los depósitos.
Así pues, el modelo de receptor presentado así como su procedimiento de fabricación, cumplen con las restricciones de diseño y mejoran el comportamiento termo-mecánico global de los receptores conocidos del estado de la técnica.
Descripción de los dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1: Receptor solar del estado de la técnica. Patente DE19527272.
Figura 2: Planta, alzado y perfil del receptor de la invención.
Figura 3: Despiece del receptor de la invención.
Figura 4: Vista en perspectiva de un tubo.
Figura 5: Vista lateral de un tubo.
Figura 6: Colector.
Las referencias utilizadas en las figuras corresponden a los siguientes elementos:
1.
Tubos
2.
Colectores
3.
Cúpula de expansión o del domo
4.
Cúpula que alberga el regenerador
5.
Placa para soldar el colector
10.
Partes curvas de cada tubo
11.
Parte recta central de cada tubo
12.
Partes rectas de los extremos de cada tubo
20.
Hilera de taladros del colector como origen
21.
Hilera de taladros del colector como destino
22.
Taladros del colector.
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se van a describir los nuevos diseños de receptor para disco Stirling, según una realización preferente.
En la figura 1 se muestra el diseño de un receptor del estado de la técnica, correspondiente a la patente DE19527272, en el que se puede ver que está formado por los tubos (1), los colectores (2), la cúpula de expansión o del domo (3) y la cúpula que alberga el regenerador (4). En este diseño los tubos (1) son idénticos entre ellos y de geometría en forma de lazo (nota: las referencias que aquí aparecen no se corresponden con las del documento original, se han modificado para lograr una mayor coherencia con la descripción de la invención reivindicada en este documento).
El diseño preferente del receptor reivindicado y representado en las figuras 2-6, cumple con las siguientes características:
-
Materiales comerciales utilizados: Inconel 625 o Multimet.
-
Tubos a utilizar: diámetro exterior 3 mm. y espesor 0.5 mm.
-
Colectores en chapa de 3 mm.
En la figura 2 se muestran las diferentes vistas del receptor solar modelo serpentín y en la figura 3 el despiece. Se observa, que de la misma forma que en la patente del estado de la técnica de la figura 1, el receptor está formado por una serie de tubos (1), que se sujetan por ambos extremos a sendos colectores y que descansan sobre la cúpula de regeneración (4) y la de expansión (3). La mayor diferencia con el estado de la técnica y donde se encuentra el gran avance con respecto a lo existente, reside en el diseño de los tubos (1). En la realización preferente, el receptor comprende 28 tubos (1) de 800 mm de longitud aproximadamente, idénticos entre ellos y que salen perpendicularmente de un colector (2) para llegar perpendicularmente al otro (2).
Las superficies o placas (5) donde van soldados los colectores (2) son paralelas entre sí y perpendiculares a la entrada de los tubos (1).
En la vista en planta de la invención (figura 2 abajo) como en las figuras4y5se muestra la geometría de los tubos.
Cada tubo (1) sale del colector (2) de origen en línea recta (12) hacia el colector (2) de destino y antes de llegar al colector de destino gira según una curva de 180º (10) bajando ligeramente en altura y vuelve en línea recta (11), por un plano horizontal paralelo e inferior al de la ida (12), hacia el colector (2) de origen y antes de llegar al colector de origen vuelve a girar según una curva de 180º (10), bajando un poco más en altura, dirigiéndose en línea recta (12) por un plano horizontal paralelo e inferior, de nuevo hacia el colector (2) de destino, donde entra perpendicular y se conecta por soldadura.
Así pues, cada tubo presenta dos curvas (10) de 180º en su recorrido de forma que cada tubo (1) recorre casi tres veces la distancia entre los dos colectores (2).
Con esta distribución se puede decir que cada tubo consta de tres partes rectas (12, 11, 12) y dos partes curvas (10).
En esta realización preferente, las dos curvas (10) son semicircunferencias de radio 11.1125 mm. y las partes rectas son: el centro (11) (entre curvatura (10) y curvatura (10)) de 220 mm y los extremos (12) (entre curvatura (10) y salida
o entrada de un colector (2)) de 255 mm (aquí se incluyen los 3 mm de tubo (1) que se introducen en el colector (2) para soldar).
La parte central (11), entre curvatura (10) y curvatura (10), y las dos rectas de los extremos (12) del tubo, son paralelas entre sí según planos horizontales, pues se encuentran a distinta altura todas ellas, mientras que las rectas de los extremos (12) se encuentran en el mismo plano vertical, paralelo al plano vertical que contiene a la recta del centro (11).
Visto desde la cara de incidencia de la radiación solar, cada tubo (1) está dispuesto de tal forma que las partes rectas (11, 12) del tubo forman una superficie sin huecos entre tubos y sin sombreamiento de unas partes sobre otras.
En la figura 6 se muestra el colector (2). Hay dos hileras (20, 21) verticales de taladros (22) (cada una de 14 taladros) en cada colector (2), donde se sueldan todos los tubos (1). En una hilera (20) se sueldan todos los tubos (1) que tienen ese colector como origen y en la hilera paralela (21) se sueldan todos los tubos que tienen ese colector como destino. Esta disposición evita que los tubos de una (20) y otra hilera (21) lleguen a entrar en contacto.
La distancia entre centros de tubos (1) de la misma hilera vertical es igual a seis veces el diámetro del tubo.
Este sistema está especialmente diseñado para su aplicación en receptores de disco Stirling pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Receptor solar de serpentín para disco Stirling cuyos componentes principales son tubos (los cuales forman la superficie donde incide el haz de luz solar concentrada), colectores (se sueldan a los tubos y comunican el fluido que discurre por los tubos con los depósitos), depósitos (son las zonas interiores de los colectores desde donde se distribuye el gas de trabajo a cada uno de los tubos) y cúpulas (hay de dos tipos, la encargada de alojar en su interior el regenerador y la cúpula de expansión que es la zona donde el gas de trabajo se encuentra a una mayor temperatura) caracterizado porque comprende una serie de tubos (1) donde cada tubo (1) tiene un diseño tal que sale del colector
    (2) de origen en línea recta (12) hacia el colector (2) de destino y antes de llegar al colector de destino gira según una curva de 180º (10) bajando ligeramente en altura y vuelve en línea recta (11), por un plano horizontal paralelo e inferior al de la ida (12), hacia el colector (2) de origen y antes de llegar al colector de origen vuelve a girar según una curva de 180º (10), bajando un poco más en altura, dirigiéndose en línea recta (12) por un plano horizontal paralelo e inferior, de nuevo hacia el colector (2) de destino, donde entra perpendicular y se conecta por soldadura.
  2. 2.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque las superficies o placas (5) donde van soldados los colectores (2) son paralelas entre sí y perpendiculares a la entrada de los tubos (1).
  3. 3.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque cada tubo (1) está dispuesto de tal forma que las partes rectas (11) del tubo forman una superficie sin huecos entre tubos y sin sombreamiento de unas partes sobre otras.
  4. 4.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 3 caracterizado porque está formado por 28 tubos de aproximadamente 800 mm de longitud cada uno.
  5. 5. Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 4 caracterizado porque las dos curvas
    (10) de 180º son semicircunferencias de radio 11.1125 mm y las partes rectas son: el centro (11) (entre curvatura y curvatura) de 220 mm y los extremos (12) (entre curvatura y salida de un colector (2)) de 255 mm, incluyendo los 3 mm de tubo (1) que se introducen en el colector (2) para soldar.
  6. 6.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los materiales utilizados son aleaciones a base de níquel-cromo (como los comercializados Inconel ® 625 o Multimet ®).
  7. 7.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (1) a utilizar tienen un diámetro exterior de 3 mm. y un espesor 0.5 mm y los colectores (2) son de chapa de 3 mm.
  8. 8.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque hay dos hileras (20, 21) verticales de taladros (22) en cada colector (2), en una hilera (20) se sueldan todos los tubos (1) que tienen ese colector como origen y en la hilera paralela (21) se sueldan todos los tubos que tienen ese colector como destino, no estando los tubos de una (20) y otra hilera (21) en contacto.
  9. 9.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque cada hilera vertical (20, 21) del colector (2) consta de 14 agujeros (6).
  10. 10. Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 8 caracterizado porque en cada colector
    (2) la distancia entre centros de tubos de la misma hilera vertical es igual a seis veces el diámetro del tubo (1).
  11. 11.
    Receptor solar de serpentín para disco Stirling según reivindicación 1 caracterizado porque se coloca un casquillo o segmento de tubo (por soldadura, sinterizado u otros métodos) en cada uno de los tubos (1) del receptor en la zona de unión a los colectores (2), sirviendo como transición entre las dos zonas de rigideces distintas.
  12. 12.
    Método de fabricación del receptor solar de serpentín para disco Stirling descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:
    -
    Recepción de tubos.
    -
    Doblado de tubos.
    -
    Ensamblaje de tubos a colector con soldadura por horno.
    -
    Soldadura TIG/plasma/láser para soldar los depósitos (realizados como unión de chapas) a los colectores.
    -
    Soldadura TIG/plasma/láser para soldar las cúpulas (realizadas a partir de un bloque de material) a los depósitos.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201000729
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 02.06.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : F24J2/07 (2006.01) F03G6/06 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    DE 19527272 A1 (SOLO KLEINMOTOREN GMBH) 30.01.1997, 1, 12
    figuras & Resumen de la base de datos WPI. Recuperado de EPOQUE; AN 1997-100879.
    P,A
    EP 2218978 A1 (COCKERILL MAINTENANCE & INGENI et al.) 18.08.2010, 1
    párrafos [30-36]; figuras 1-6.
    A
    US 4512336 A (WIENER MURRAY) 23.04.1985, 1
    columna 4, línea 44 – columna 5, línea 23; figuras 3,7.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 29.11.2011
    Examinador J. Merello Arvilla Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201000729
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F03G, F24J, F22B, F02G Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000729
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 29.11.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-12 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-12 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000729
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    DE 19527272 A1 (SOLO KLEINMOTOREN GMBH) 30.01.1997
  13. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El documento D01 se considera el más próximo en el estado de la técnica a la invención de acuerdo con las reivindicaciones de la solicitud de patente objeto de la presente Opinión Escrita. Las referencias numéricas utilizadas son relativas al documento D01. En adelante se utilizará la misma terminología que las reivindicaciones de la solicitud de patente en estudio. El documento D01 divulga un receptor solar de serpentín para disco Stirling cuyos componentes principales son tubos (8), colectores (4, 5) y cúpulas. El receptor solar de acuerdo con el documento D01 difiere profundamente del propuesto en la primera reivindicación de la solicitud de patente en estudio en cuanto al trazado de los tubos del receptor se refiere ya que D01 divulga un receptor con dos grupos de tubos (6, 7) uno cóncavo respecto una dirección perpendicular a la radiación solar y otro convexo, donde los tubos parten de un colector adoptando una pequeña curvatura tras la cual presentan un tramo recto (3) para llegar a la parte central (11) cuya curvatura es la que le proporciona la concavidad/convexidad del tubo propiamente dicha. En el serpentín de acuerdo con la primera reivindicación de la solicitud de patente cada tubo sale del colector de origen en línea recta hacia el colector de destino y antes de llegar a éste gira según una curva de 180º bajando ligeramente en altura y volviendo en línea recta, por un plano horizontal paralelo e inferior al de la ida, hacia el colector de origen y antes de llegar al colector de origen vuelve a girar según una curva de 180º, bajando un poco más en altura, dirigiéndose en línea recta, por un plano horizontal paralelo e inferior, de nuevo hacia el colector de destino. Debido a las diferencias señaladas entre ambas disposiciones no se considera obvio para un experto en la materia que partiera del documento D01 el llegar al receptor solar propuesto en la primera reivindicación de la solicitud de patente en estudio. Por tanto la invención, de acuerdo con la primera reivindicación de la solicitud de patente, por no encontrarse recogida en el estado de la técnica es nueva (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y, por no resultar del mismo de una manera obvia para un experto en la materia, tiene actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.). Por contar la primera reivindicación con novedad y actividad inventiva las reivindicaciones dependientes de la misma, es decir las reivindicaciones 2 a 11, presentan igualmente novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.) . El receptor solar de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 11 presenta novedad y actividad inventiva y el método de fabricación propuesto en la reivindicación 12 cuenta con etapas para producir elementos singulares de dicho receptor solar por lo que la reivindicación 12 presenta a su vez novedad (Ley 11/1986, Art. 6.1.) y actividad inventiva (Ley 11/1986, Art. 8.1.).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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